微藻油改性瀝青混合料疲勞性能

王 場(chǎng)

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 河南省交控建設(shè)工程有限公司，河南 鄭州 450000；3. 交通運(yùn)輸部公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心(鄭州)，河南 鄭州 450000)

隨著公路瀝青路面建養(yǎng)工程不斷增加，瀝青材料需求與日俱增。為緩解石油瀝青供應(yīng)緊張局面，目前生物瀝青應(yīng)運(yùn)而生[1]。由于微藻自身生產(chǎn)和成分含量特征，微藻油改性瀝青作為道路工程中新型生物瀝青備受關(guān)注。Duan et al[2]制備了微藻油、橡膠和SBS復(fù)合改性瀝青，其流變性能表明添加微藻油后車轍因子提升；Barreiro et al[3]通過色譜-質(zhì)譜(Py-GC-MS)和非負(fù)矩陣分解(NNMF)分析了微藻油氧化過程反應(yīng)特征，結(jié)果表明微藻油作為瀝青添加劑可改善瀝青耐氧化性能和高溫流變性能；Chailleux et al[4]發(fā)現(xiàn)微藻油在流變性能和成分方面與石油瀝青類似；Dhasmana et al[5]通過紅外光譜和組分分析法研究微藻油不同組分含量；殷衛(wèi)永等[6]研究了微藻油改性瀝青的耐老化性能。由此可見，目前關(guān)于微藻油改性瀝青的研究側(cè)重于成分分析、高低溫性能等，關(guān)于其疲勞性能的研究較少。因此，有必要開展微藻油改性瀝青混合料疲勞性能的研究以更加全面深入地分析其長期性能[7]，為微藻油改性瀝青推廣應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

所用基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青基本性能

MAO由微藻液經(jīng)降解、離心、萃取等工序得到，微藻液為人工培養(yǎng)，其所含菱形藻、綠金藻、小球藻等活性藻總濃度104～ 105個(gè)/mL。MAO具體制備步驟為：①用0.7～0.8 mW/cm2紫外線照射微藻液4～6 h滅活微藻細(xì)胞；②在微藻液中加入芽孢桿菌降解失活的微藻細(xì)胞得到微藻懸濁液，芽孢桿菌濃度需達(dá)到106～107cfu/mL且作用20～24 h；③利用配有蛋白質(zhì)濾膜的離心過濾機(jī)離心分離微藻懸濁液中的水溶性蛋白質(zhì)得到濕微藻殘?jiān)?，再烘干除去水分得到干燥殘?jiān)虎芾谜和槌浞盅蜎]干燥微藻殘?jiān)?，攪?0～20 min，靜置8～10 h后過濾掉不溶物得到微藻油的正己烷溶液；⑤將微藻油的正己烷在70～80 ℃下蒸餾、萃取，正己烷充分揮發(fā)后得到MAO。

MAO改性瀝青制備方法：基質(zhì)瀝青和MAO加熱到140～150 ℃，將MAO按設(shè)定比例加入基質(zhì)瀝青中，在150～160 ℃下500～1 000 r/min低速攪拌10～15 min，再3 500～4 000 r/min高速剪切攪拌20～30 min。

1.2 試驗(yàn)方法

瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行。疲勞性能試驗(yàn)參照J(rèn)TG E20—2011中T0703方法采用有效尺寸為400 mm×300 mm×70 mm的試模成型大塊試件，再用雙面鋸切割成(380±5)mm×(63.5±5)mm ×(50±5)mm的標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)試件。試驗(yàn)儀器為IPC UTM-30，參照J(rèn)TG E20—2011四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 疲勞試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

2 結(jié)果分析

2.1 改性瀝青常規(guī)性能

MAO改性瀝青中MAO摻量采用以基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn)的重量外摻法計(jì)算，不同MAO摻量下改性瀝青常規(guī)性能如圖1所示。由圖1(a)可知，在測(cè)試范圍內(nèi)，隨著MAO摻量增加，MAO改性瀝青軟化點(diǎn)逐漸增加，延度先增加后減小。當(dāng)MAO摻量為30%時(shí)，延度達(dá)到峰值22.5 cm，該摻量下MAO改性瀝青軟化點(diǎn)為64.2 ℃，MAO改性瀝青性能與SBS改性瀝青性能基本相當(dāng)，滿足JTG F40—2004規(guī)范對(duì)改性瀝青性能要求。由圖1(b)可知，在測(cè)試范圍內(nèi)，隨著MAO摻量增加，MAO改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度和48 h軟化點(diǎn)差逐漸增加，呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)MAO摻量為30%時(shí)，MAO改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度為2.2 Pa·s，48 h軟化點(diǎn)差2.0 ℃，滿足JTG F40—2004規(guī)范中改性瀝青黏度小于3 Pa·s和48 h軟化點(diǎn)差小于2.5 ℃的要求。當(dāng)MAO摻量為40%時(shí)，MAO改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度3.2 Pa·s，48 h軟化點(diǎn)差2.8 ℃，不滿足規(guī)范要求。這表明過多摻加MAO會(huì)導(dǎo)致改性瀝青黏度偏高，儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差，不利于施工。根據(jù)不同MAO摻量下改性瀝青性能，確定MAO改性瀝青中MAO摻量為30%。為方便研究，后文MAO改性瀝青中MAO均采用該摻量。

圖1 MAO改性瀝青常規(guī)性能

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

不同應(yīng)變水平和溫度下MAO改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 改性瀝青混合料疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

由表3分析可知，相同條件下不同試件間疲勞壽命測(cè)試結(jié)果離散性較大，2種瀝青混合料疲勞壽命互有大小。為更加全面準(zhǔn)確地分析對(duì)比2種改性瀝青混合料疲勞性能，需借助恰當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析方法。

2.3 Weibull分布函數(shù)簡(jiǎn)介

相關(guān)研究表明，可將離散性較大的瀝青混合料疲勞壽命測(cè)試結(jié)果視為隨機(jī)變量，應(yīng)用概率統(tǒng)計(jì)理論對(duì)其統(tǒng)計(jì)分析[8-9]。目前廣泛應(yīng)用的為三參數(shù)Weibull分布，其概率密度如式(1)所示，分布函數(shù)如式(2)所示，將式(2)兩邊取自然對(duì)數(shù)，并運(yùn)用換底公式得到式(3)。由式(3)可知，對(duì)于服從Weibull分布的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果，-ln(ln(1/p))與lg(NP-N0)存在良好的線性關(guān)系，可將此作為疲勞壽命是否服從Weibull分布的判斷方法。

(1)

(2)

(3)

式中，b為形狀參數(shù)；Na為特征疲勞壽命；N0為位置參數(shù)。

2.4 疲勞壽命Weibull分布檢驗(yàn)

采用作圖法判定疲勞壽命是否服從Weibull分布，其主要步驟為：①將相同條件下測(cè)試結(jié)果升序排列，依次記為Ni，i=1, 2, 3；②計(jì)算Ni的保證率p,p=1-i/(1+n)，本文n=3；③針對(duì)每個(gè)測(cè)試結(jié)果計(jì)算lg(NP-N0)和-ln(ln(1/p))，其中N0=Nmin/2，Nmin為每組試驗(yàn)結(jié)果中最小值；④分別以lg(NP-N0)和-ln(ln(1/p))為橫縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖；⑤根據(jù)散點(diǎn)圖線性擬合結(jié)果判定疲勞壽命Weibull分布情況。

2種瀝青混合料疲勞壽命Weibull分布檢驗(yàn)回歸方程如表4、表5所示?；貧w方程中y代表-ln(ln(1/p))，x代表lg(NP-N0)。由表4、表5中結(jié)果可知，-ln(ln(1/p))與lg(NP-N0)線性回歸相關(guān)系數(shù)均大于0.9，線性相關(guān)關(guān)系較好，表明疲勞壽命服從Weibull分布。

表4 MAO改性瀝青混合料疲勞壽命Weibull分布檢驗(yàn)回歸方程

表5 SBS改性瀝青混合料疲勞壽命Weibull分布檢驗(yàn)回歸方程

2.5 基于Weibull分布的混合料疲勞壽命分析

2種改性瀝青混合料疲勞壽命均服從Weibull分布，可根據(jù)不同條件下疲勞壽命與保證率回歸方程計(jì)算不同保證率下的疲勞壽命。當(dāng)保證率p取值95%和50%時(shí),2種混合料疲勞壽命如圖2所示。

圖2 不同保證率下瀝青混合料疲勞壽命

圖2結(jié)果表明，當(dāng)保證率為95%，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，混合料疲勞壽命整體先增大后減少，在20 ℃或30 ℃時(shí)達(dá)到峰值，40 ℃時(shí)降低。但MAO改性瀝青混合料在400 με時(shí)，10 ℃疲勞壽命略高于20 ℃或30 ℃值。200 με時(shí)，2種混合料在30 ℃達(dá)到峰值，40 ℃時(shí)MAO和SBS改性瀝青混合料疲勞壽命降低幅度分別約為峰值的27%和33%。400 με時(shí)2種瀝青混合料疲勞壽命隨溫度變化不顯著，20 ℃和30 ℃時(shí)疲勞壽命相當(dāng)，40 ℃時(shí)MAO和SBS改性瀝青混合料疲勞壽命降低幅度分別約為峰值的5%和18%。600 με時(shí)，MAO改性瀝青混合料疲勞壽命在30 ℃達(dá)到峰值，40 ℃時(shí)降低74%；SBS改性瀝青混合料疲勞壽命在20 ℃達(dá)到峰值，30 ℃和40 ℃時(shí)分別降低41%和64%。對(duì)比不同應(yīng)變水平下疲勞壽命隨溫度變化幅度可知，600 με時(shí)疲勞壽命受溫度變化影響最顯著。應(yīng)變水平一致時(shí)，50%保證率的變化趨勢(shì)與95%保證率總體類似，但變化規(guī)律更清晰明顯，在20 ℃和30 ℃時(shí)差異不顯著且達(dá)到的峰值，40 ℃時(shí)較顯著降低。2種類型混合料不同應(yīng)變水平下降低幅度在12%～27%，但SBS改性瀝青混合料在400 με時(shí)對(duì)應(yīng)降低幅度為42%。

相同混合料類型和試驗(yàn)溫度下，應(yīng)變水平越高，疲勞壽命越低。95%保證率時(shí)，應(yīng)變水平由200 με增加到400 με和600 με時(shí)，MAO和SBS改性瀝青混合料不同溫度下平均疲勞壽命分別降低62%、85%和58%、89%；50%保證率時(shí)對(duì)應(yīng)的降低幅度分別為35%、65%和38%、70%。95%保證率時(shí)，溫度從10 ℃增加到40 ℃，不同應(yīng)變水平下，MAO改性瀝青混合料疲勞壽命分別約為SBS改性瀝青混合料的1.28倍、1.11倍、1.45倍；50%保證率時(shí)，對(duì)應(yīng)的倍數(shù)分別為1.17倍、1.26倍、1.21倍。即不同保證率下200～600 με范圍內(nèi)，MAO改性瀝青混合料疲勞壽命約為SBS改性瀝青混合料疲勞壽命的1.11倍～1.45倍。

與SBS改性瀝青混合料疲勞壽命相比，相同測(cè)試條件時(shí)，MAO改性瀝青混合料整體較優(yōu)。95%保證率溫度為10、20、30、40 ℃時(shí)，不同應(yīng)變水平下MAO改性瀝青混合料疲勞壽命均值分別為SBS改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)值的1.42倍、1.21倍、1.17倍、1.19倍；50%保證率對(duì)應(yīng)的倍數(shù)分別為1.13倍、1.21倍、1.15倍、1.32倍。即不同保證率下10～40 ℃范圍內(nèi)，MAO改性瀝青混合料疲勞壽命約為SBS改性瀝青混合料疲勞壽命的1.15倍～1.42倍。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，2種類型混合料疲勞壽命受溫度和應(yīng)變水平影響較顯著，其中應(yīng)變水平影響較大。2種混合料疲勞壽命在10 ℃和40 ℃時(shí)較低，在20 ℃和30 ℃時(shí)較高，表明溫度過高和過低均會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料疲勞壽命降低，但MAO混合料疲勞壽命降低幅度較??；相同保證率和溫度下，應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)MAO改性瀝青混合料疲勞壽命降低幅度亦較小。與SBS改性瀝青混合料相比，在高溫和大應(yīng)變條件下，MAO改性瀝青混合料具有更高的疲勞壽命。

2.6 基于Weibull分布函數(shù)的疲勞方程分析

結(jié)合上述不同條件下疲勞壽命與應(yīng)變水平之間的相關(guān)關(guān)系，建立兩者相關(guān)方程，分析2種瀝青混合料疲勞方程特征并對(duì)比評(píng)價(jià)其耐疲勞性能。2種瀝青混合料不同條件下疲勞壽命與應(yīng)變水平的相關(guān)方程如表6所示。

表6 有無支撐帽梁的最大位移和撓度限值

由表6分析可知，不同保證率和試驗(yàn)溫度下，2種瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平之間均具有良好的線性相關(guān)關(guān)系，除MAO改性瀝青混合料在95%保證率30 ℃時(shí)的相關(guān)系數(shù)為89%外，其余相關(guān)系數(shù)均在90%以上。因此可根據(jù)疲勞方程的斜率和截距分析2種混合料的耐疲勞特征。

在95%保證率下，分析2種改性瀝青混合料疲勞方程截距，與SBS改性瀝青混合料相比，0、20、30、40 ℃時(shí)MAO改性瀝青混合料疲勞方程截距分別提高了51.3%、27.3%、7.3%、22.9%；在50%保證率下對(duì)應(yīng)的提升幅度分別為9.6%、21.9%、12.5%、25.6%。在95%保證率下，與SBS改性瀝青混合料疲勞方程斜率絕對(duì)值相比，0、20、30、40 ℃時(shí)，MAO改性瀝青混合料疲勞方程斜率絕對(duì)值分別提高了57.2%、30.8%、2.4%、24.6%；在50%保證率下對(duì)應(yīng)的提升幅度分別為6.5%、22.9%、9.9%、20.5%。95%保證率10 ℃時(shí)2種混合料疲勞方程差異最大，95%保證率30 ℃、50%保證率10 ℃和30 ℃時(shí)，2種混合料疲勞方程基本一致；其余條件下MAO改性瀝青混合料疲勞方程斜率絕對(duì)值和截距均比SBS改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)值提高20%～30%。

上述分析表明，20 ℃和40 ℃下MAO改性瀝青混合料疲勞壽命相對(duì)于SBS改性瀝青混合料可提升20%～30%，即常溫和高溫下MAO改性瀝青混合料均具有更好的耐疲勞性能，同時(shí)MAO改性瀝青混合料疲勞方程斜率絕對(duì)值亦較大，即對(duì)應(yīng)變水平較敏感。

2.7 FTIR分析

MAO改性瀝青和SBS改性瀝青FTIR圖譜如圖3所示。峰值位置和大小均基本一致的在2 785、1 416、1 093 cm-1處，前兩處為甲基振動(dòng)吸收峰，另一處為乙烯基C-H彎曲峰。峰值位置相同時(shí)，SBS改性瀝青峰值較高的在2 890 cm-1處的C-H振動(dòng)峰；MAO改性瀝青峰值較高的在1 216、1 293、762 cm-1處，其中最后一處為芳香族C-H振動(dòng)峰。上述特征峰值及出現(xiàn)位置表明乙烯基雙鍵、芳香族C-H和亞甲基等是MAO改性瀝青和SBS改性瀝青的相同成分，但部分成分含量存在差異。同時(shí)，MAO改性瀝青出現(xiàn)了新官能團(tuán)的特征峰，2 530、1 640 cm-1處分別出現(xiàn)羧基特征峰和C=O特征峰。結(jié)合特征峰位置和MAO成分分析[10]，該C=O不飽和基團(tuán)可能是MAO水解產(chǎn)生的酰胺基團(tuán)，其可與CR自由基結(jié)合，利于改性瀝青網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)形成及性能提升。

圖3 MAO改性瀝青和SBS改性瀝青紅外光譜對(duì)比

3 結(jié)論

(1)MAO改性瀝青和SBS改性瀝青混合料疲勞壽命均存在疲勞離散性特征，但均服從三參數(shù)Weibull分布。通過Weibull分布疲勞方程計(jì)算對(duì)比2種改性瀝青混合料不同保證率下的疲勞壽命更具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，評(píng)判更加客觀準(zhǔn)確。

(2)相同應(yīng)變下p=95%時(shí)，MAO改性瀝青混合料在30 ℃時(shí)疲勞壽命最優(yōu)，40 ℃時(shí)疲勞壽命在200、400、600 με下分別降低27%、5%、74%；SBS改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的降低幅度為33%、18%、64%。600 με時(shí)疲勞壽命受溫度變化影響最顯著。

(3)p=95%時(shí)應(yīng)變水平由200 με增加到400 με和600 με時(shí)，MAO和SBS改性瀝青混合料不同溫度下平均疲勞壽命分別降低62%、85%和58%、89%；p=50%時(shí)對(duì)應(yīng)的降低幅度分別為35%、65%和38%、70%。

(4)2種瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平存在線性關(guān)系。通過分析線性方程的截距和斜率，20 ℃和40 ℃下MAO改性瀝青混合料疲勞壽命SBS改性瀝青混合料提升20%～30%。

(5)FTIR表明乙烯基雙鍵、芳香族C-H和亞甲基等是MAO改性瀝青和SBS改性瀝青的相同成分。MAO改性瀝青增加了羧基和C=O不飽和基團(tuán)，有助于改善瀝青網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)及性能。

(6)研究選取特定的MAO改性瀝青和SBS改性瀝青，在不同溫度和應(yīng)變水平下研究對(duì)比兩者疲勞性能。關(guān)于相同條件下不同改性劑摻量混合料疲勞性能的對(duì)比，可在后續(xù)進(jìn)一步開展研究。